определение, история открытия и применение

В данной статье вы узнаете что такое электромагнетизм, электромагнитное поле и электромагнитные волны.

Определение и история открытия

Электромагнетизм — это раздел физики, который занимается электричеством, магнетизмом и взаимодействием между ними. Впервые он был открыт в 19 веке и широко применяется в современном мире физики.

Электромагнетизм — это в основном наука об электромагнитных полях. Электромагнитное поле — это поле, создаваемое электрически заряженными объектами. Радиоволны, инфракрасные волны, ультрафиолетовые волны и рентгеновские лучи — это электромагнитные поля в определенном диапазоне частот. Электричество производится путем изменения магнитного поля. Это явление также называют «электромагнитной индукцией». Точно так же магнитное поле создается движением электрических зарядов.

Основной закон электромагнетизма известен как «закон индукции Фарадея». Феномен электромагнетизма был открыт в 19 веке, и это привело к открытию «специальной теории относительности» Альберта Эйнштейна. Согласно его теории, электрические и магнитные поля могли быть преобразованы друг в друга с относительным движением. Это явление и его применение были открыты благодаря многочисленным вкладам великих ученых и физиков, таких как Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл, Оливер Хевисайд и Генрих Герц. В 1802 году итальянский ученый продемонстрировал связь между электричеством и магнетизмом, отклонив магнитную стрелку с помощью электростатических зарядов.

Электромагнетизм — это в основном гипотеза комбинированного выражения основной силы, известной как «электромагнитная сила». Эту силу можно увидеть, когда электрический заряд движется. Это движение производит магнетизм. Эта идея была представлена ​​Джеймсом Клерком Максвеллом, который опубликовал теорию электричества и магнетизма в 1865 году. На основе этой теории многие ученые совершили множество открытий и других эффектов. Электромагнетизм распространился и на область квантовой физики, где свет распространяется как волна и взаимодействует как частица.

Было доказано, что электричество может вызвать магнетизм и наоборот. Очень простой пример — это электрический трансформатор. Обмены происходят внутри трансформатора, который вызывает электромагнитные волны . Еще один факт, касающийся этих волн, заключается в том, что им не нужна среда для распространения, хотя их скорость относительно медленнее при путешествии через прозрачные вещества.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны были впервые обнаружены Джеймсом Клерком Максвеллом, и они были подтверждены впоследствии Генрихом Герцем. Впоследствии Максвелл получил волновую форму электрических и магнитных уравнений, которая показала, что электрические и магнитные поля имеют волнообразную природу. Факторами, которые отличают электромагнитные волны друг от друга, являются частота, амплитуда и поляризация. Например, лазерный луч когерентен, а излучение имеет только одну частоту. Существуют и другие типы волн, различающихся по частоте, такие как радиоволны, которые находятся на очень низких частотах, гамма-лучи и рентгеновские лучи очень высокой частоты. Электромагнитные волны могут распространяться на очень большие расстояния, и на них не влияют никакие препятствия, будь то огромные стены или башни.

Это особое взаимодействие электричества и магнетизма привело к большим достижениям в современной науке и технике, и предпринимаются усилия, чтобы узнать больше об электромагнетизме и его применениях. Другими силами являются гравитационные силы, сильные и слабые силы. Электромагнетизм также сочетается со слабой силой, известной как «электрослабая сила».

Применение электромагнетизма

Электромагнетизм имеет множество применений в современном мире науки и физики. Самым основным применением электромагнетизма является использование двигателей. Двигатель имеет переключатель, который непрерывно переключает полярность снаружи двигателя. Электромагнит делает то же самое. Мы можем изменить направление, просто изменив направление тока. Внутри двигателя есть электромагнит, но ток регулируется таким образом, что внешний магнит отталкивает его.

Еще одно очень полезное применение электромагнетизма — «машина сканирования CAT». Эта машина обычно используется в больницах для диагностики заболеваний. Поскольку мы знаем, что в нашем теле присутствует ток, и чем он сильнее, тем сильнее магнитное поле. Эта технология сканирования способна улавливать магнитные поля, и ее легко можно идентифицировать, если внутри тела присутствует большое количество электрической активности.

Работа человеческого мозга основана на электромагнетизме. Электрические импульсы вызывают операции внутри мозга, и у него есть некоторое магнитное поле. Когда два магнитных поля пересекаются друг с другом внутри мозга, возникает помеха, которая вредна для мозга.

Реферат — История открытия и практическое применение электромагнетизма

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1
Из истории открытия электромагнитных волн
1.1 Опыты Ганса Христиана Эрстеда
1.2 Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма
1.3 Уравнения Джеймса Клерка Максвелла
ГЛАВА 2
Материальность магнитного поля
ГЛАВА 3
Практическое применение электромагнетизма
3.1 Синхрофазотроны
3.2 Радиовещание
3.3 Магнитотерапия
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ.
Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.
С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.
Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы и магнитная запись информации, магнитная обработка воды, поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.

Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.
В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.
А все началось с вопроса: « Что происходит с электричеством, если соединить полюсы вольтовой батареи проволокой?». Задал себе этот вопрос Ганс Христиан Эрстед.

ГЛАВА 1.
ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

1.1 ОПЫТЫ ГАНСА ХРИСТИАНА ЭРСТЕДА.
В августе 1820 года все более или менее известные европейские физики, все научные общества и редакции физических журналов получили небольшую, написанную на латыни брошюру. На обложке стояла ничего не говорящее название « Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу» и мало что говорящая фамилия автора — Эрстед. Если бы каждый из учёных мог знать, что кроме него, эту брошюру держат в руках почти все физики, её сразу бы начали читать. Это объяснимо тем, что в ней было все: и само открытие, и то, как оно было сделано, и даже то, что ничего необыкновенного в нём, как тут же выяснилось, не было.

Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики Копенгагенского университета Ганс Христиан Эрстед, 29 лет от роду, осуществил свою заветную мечту – получить звание профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на другой – на кафедре физики. Объяснялось это тем, что, знакомясь с научными лабораториями Европы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению в Копенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим двум дисциплинам.
Второе научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в частности с работами Вольты. Вернувшись в 1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 года Эрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.
Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал. Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.
Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь только размышлениями на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь. Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам.
Эрстед поместил между проводами, идущими от полюсов батареи, тонкую платиновую проволоку, а под проволоку поместил магнитную стрелку. Стрелка и впрямь качнулась, как и надеялся учёный, но столь слабо, что он не посчитал этот опыт удачным и отложил свою затею до другого времени, когда, как он пишет: «Надеялся иметь больше досуга». Странное признание.
Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по — датски, а по — латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.

Чтобы физики легко запомнили, куда что отклоняется, Эрстед выводит формулу: «Полюс, над которым вступает отрицательное электричество, поворачивается на запад; полюс, под которым оно вступает, поворачивается на восток».
Правда, оказалось, что усвоение самой формулы не намного легче, чем описание всего опыта; некоторые физики даже назвали изобретённую формулу неудобной и нецелесообразной. Если сравнить её с правилом, приведённым в современном учебнике, то можно согласиться с таким определением. И ещё в одном Эрстед нечаянно напутал сам и запутал тем самым коллег: он утверждал, что для получения «электрического конфликта» (так он поначалу назвал электромагнетизм) необходимо, чтобы провод был раскалён.
Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.
Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцами Можоном и Романьози, ещё в 1802 году.
В чём уличали Эрстеда? Дело в том, что работы итальянских учёных были опубликованы сначала в самой Италии, но Эрстед мог их не читать в оригинале; так ведь они были переведены на французский. Кто ж поверит, что он их не читал их? Ясное дело, читал. И умолчал об этом. И приписал всё себе. Если бы всё было на самом деле так, то действительно получалось нехорошо. Даже совсем плохо: уличение в плагиате для учёного – конец. Но ревнители научной нравственности в полемическом пылу упустили из виду некоторые детали, которые часто играют важную роль. Среди физиков нашлось немало людей, которые, подобно Шерлоку Холмсу, комиссару Мегрэ или Эркюлю Пуаро, занялись сопоставлением этих самых мелочей, чтобы установить истину. В числе наиболее проницательных расследователей «дела Эрстеда» был русский академик И. Гамель. Эрстед, конечно не преступник и мог не читать, но логика-качество, свойственное каждому учёному, — должна была подсказать ему выход из щекотливой ситуации, если он её таковой считал; согласись он со случайностью своего открытия, тогда уж никто не смог бы сказать, что он это открытие где-то у кого-то вычитал. Но вместо этого Эрстед, явно вредя себе, продолжает настаивать, что он работал над электромагнетизмом давно, но безуспешно. Отсюда можно сделать только один вывод, и Гамель делает его: «При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведённых выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль». К такому же выводу, но в результате иных рассуждений приходит немецкий физик Георг Мунке. Своё мнение он публично изложил в «Физическом словаре».
А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?
Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.
Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.
Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.

Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)

1.2 РОЛЬ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ В ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, — рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом Ганса Христиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?

Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.
В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду «Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к «Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041! Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?
Любой физик знает, что таким материальным посредником является «поле», «поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.
Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.
Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.

1.3 УРАВНЕНИЯ ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.
Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.
Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».
Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:
ФЕ dl = dФ / dt Уравнение электродвижущей силы

ФH dl = dN / dt Уравнение магнитодвижущей силы
Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.
Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;
2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.
В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.
Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися фразой:
«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»
(«Не бог ли эти знаки начертал?..»)

ГЛАВА 2
МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.
Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.
« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии», — писал Максвелл.
Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.
Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом обычную, вещественную материю, которую Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая» материя, способная передавать электрические и световые действия.
Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату».
Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие светового эфира, хотя в разговорной речи до сих пор сохранились выражения типа: «волны эфира», «передача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.
Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.
Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижением Джеймса Максвелла.

ГЛАВА 3
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

3.1 Синхрофазотроны
В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.
Fл=qBvsin@
Где B – индукция магнитного поля, то есть его силовая характеристика.
@ — это угол между направлением скорости и направлением индукции.

Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.

3.2 Радиовещание
После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.
Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.
В переводе с латинского «радио» означает «излучать».
Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света – 300000 км/с.
Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет — это короткие волны, а электромагнитные волны – это волны большей длины.
В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.
Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» — радиоприёмник.
7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.
Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция» — «сцепление». (Рис.2)
Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.
Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.
Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.
Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол «Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.
Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.

3.3 Магнитотерапия.
В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.
«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем)- термины, относящиеся к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ-терапия).
Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

История науки — тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и их творцов. На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.
И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.
Ученый – это не специальность, ей нельзя обучить в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.
Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться новому, трудолюбие, смелость в отстаивании своих убеждений. И, что очень важно, необходимость в данном открытии.
Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.
В таких условиях и находилось научное общество, когда новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма.

Список прочитанной литературы:
1. В.З. Озерников «Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых»
2. Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс физики»
3. Справочник школьника под редакцией А.Барашкова
4. М.И.Блудов «Беседы по физике»
5. М.И.Яковлева «Физиологические механизмы действия электромагнитных полей»

15

5

Открытие электромагнетизма и дальнейшие успехи гальванизма

Открытие электромагнетизма и дальнейшие успехи гальванизма. 21 июля 1820 г. в Копенгагене вышла на латинском языке брошюра «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». Автор брошюры, профессор Копенгагенского университета Эрстед (14августа 1777 г. — 9марта 1851 г.) разослал её во все учёные учреждения и физические журналы, и этим актом подчеркнул важность своего открытия. И, действительно, открытие Эрстеда произвело впечатление научной сенсации и вызвало столь мощный резонанс, что можно без преувеличения сказать: произошло второе рождение гальванизма. В чём была причина шумного успеха такого примитивного опыта, который в наши дни без труда воспроизводит любой школьник, располагающий батарейкой от карманного фонаря и компасом? Как выяснилось, Эрстед не был даже пионером своего открытия. В литературе были известны факты намагничивания стальных игл электрической искрой, размагничивания компасов молнией, в трактате по гальванизму Альдини (1804) упоминается о Можоне, намагнитившем стальную иглу вольтовым столбом, и Романьози, наблюдавшего отклонение магнитной стрелки при действии вольтова столба. Но все эти факты носили характер случайных наблюдений и не только не обобщались, но даже и не описывались сколько-нибудь точно.

Русские поморы, опытным путём открывшие «магнитные бури» компаса при «пазорях» (т. е. северных сияниях), с таким же правом могут претендовать на приоритет в открытии электромагнетизма. Заслуга Эрстеда заключается прежде всего в том, что он понял важность и новизну своего открытия и привлёк к нему внимание учёного мира.

«Гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной иглой, отклоняет её северный конец к востоку, а проходя в том же направлении под иглою, отклоняет его к западу». Так была резюмирована Эрстедом сущность открытия. При этом он первоначально ошибочно полагал, что соединительная проволока должна быть непременно накаленной, что вначале, смущало физиков, полагавших, что для успеха опыта нужна непременно мощная батарея, но вскоре выяснилась ошибочность такого мнения, и опыты стали множиться в геометрической прогрессии.

Сам Эрстед во второй статье в августе того же года; (Schweiger’ s journal, XXIX, 1820 г., стр. 364) отметил необязательность, накаливания проволоки и показал, что свободно подвешенный замкнутый: гальванически элемент в свою очередь отклоняется магнитом. Принципиальная важность открытия Эрстеда, послужившего стимулом к бессмертным открытиям Ампера и Фарадея, заключалась в следующем:

1) Была установлена связь между двумя группами явлений, которые со времён Гильберта считались принципиально различными.

2) Был открыт новый вид взаимодействия. До сих пор физика знала центральные силы. Провод не притягивает и не отталкивает полюсов стрелки, а устанавливает её перпендикулярно своей длине. «Опыт Эрстеда совершенно противен элементарным правилам механики», — замечает Араго.

3) Наконец, новое открытие давало в руки физикам средство построить чувствительный и удобный индикатор электрического тока. И уже в сентябре 1820 г. Швейггер (1779—1857) изобрёл мультипликатор, а в 67-м томе «Гильбертовских анналов» за 1821 г. появилось описание Поггендорфа (1796—1877) конструкции мультипликатора в eго современной школьной форме.

4) И последнее, эффективность и гибкость нового взаимодействия заключали в себе зерно будущих технических приложений электрической силы. Если Земмеринг уже в 1810 г. пытался построить электрический телеграф, используя такой малоудобный эффект, как электролиз, то какие же возможности только в этом отношении открывались теперь?

Поэтому вполне понятен тот повышенный интерес, который проявили физики к открытию Эрстеда. 18 сентября 1820 г. Парижская академия заслушала первый доклад Амнера об электромагнетизме. В 1827 г. вышла «Теория электродинамических явлений, выведенная из опыта», по поводу которой Максвелл сказал: «Теория и опыт как будто в полной силе и законченности вылились сразу из головы «Ньютона электричества», и эта максвелловская оценка является наиболее точной характеристикой заслуг Ампера в развитии электродинамики.

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в Лионе в семье коммерсанта. Отец его Жан Жан Ампер был образованным человеком, и Ампер ещё мальчиком 14 лет прочитал с большим увлечением все двадцать томов «Энциклопедии» Дидро и Даламбера. Когда библиотека отца была исчерпана, Ампер стал ездить в городскую библиотеку Лиона. Чтобы читать Бернулли и Эйлера, он в несколько недель изучил латинский язык.

В 1793 г. Лион восстал против республики. При подавлении восстания отец Ампера был казнён как аристократ. Это событие тяжело отразилось на 18-летнем юноше, более года Ампер находился в состоянии глубокой, депрессии. Первой книгой, возбудившей интерес Ампера после болезни были «Письма о ботанике» Руссо. Увлечение ботаникой было настолько глубоким, что Ампер мог самостоятельно решать сложные задачи систематики растений. В 1799 г. Ампер женился. До женитьбы Ампер жил в Лионе на доходы от частных уроков. После рождения сына в 1800 г. (Сын Ампера — известный французский историк литературы, археолог и линг-лист — закончил после смерти отца его книгу «Опыт философии наук».) потребовался более прочный источник существования, и в 1801 г. Ампер занял кафедру физики в Центральной школе г. Бурга.

В 1802 г. вышел труд Ампера, посвящённый теории вероятностей, «Соображения о математической теории игры». В 1805 г. Ампер получил место репетитора в Политехнической школе и много работает по вопросам чистой и прикладной математики. Наиболее значительными его работами являются: «Исследования о приложении вариационного исчисления задачам механики», доказательство принципа возможных перемещений, исследования в области aнализа и др.

С 1813 г. Ампер — члён института; занял это место после Лагранжа. Но Ампер не был узким специалистом: как истинный сын «Энциклопедии», он глубоко интересовался вопросами философии, психологии, лингвистики, сравнительной зоологии. Им была предложена классификация наук, правда не встретившая сочувствия даже у его современников. Но современники смеялись и над гениальной идеей Ампера об эволюции организмов. Ампер спорил с знаменитым Кювье, провозгласившим тезис раздельного существования однажды возникнувших видов. Противники Ампера, желая довести его, как полагали, до абсурда, спрашивали: «Неужели человек произошел от улитки?» — «Так, точно так, — отвечал Ампер. — После добросовестного изучения я уверился в законе, странном по наружности, но который со временем возьмёт своё. Я уверился, что человек образован по общему закону для всех животных».

Смерть этого замечательного челрвека и гениального учёного последовала по дороге в Марсель 10 июля 1836 г. Марсельский телеграф немедленно передал известие о смерти Ампера в Париж. Отмечая этот факт, Араго говорит, что телеграфист поступил в соответствии с государственным долгом, ибо «смерть Ампера — несчастие национальное». Араго преуменьшил значение события. Столетнюю годовщину смерти Ампера отмечал весь цивилизованный мир.

По сочинению Ампера трудно проникнуть в ход мыслей автора, и действительно, создаётся впечатление, что «теория и опыт. . . вылились сразу» из головы её создателя. Но это, разумеется, не так. События развертывались следующим образом.

Летом 1820 г. в Женеве происходил съезд естествоиспытателей. На этом съезде Деля — Рив демонстрировал опыт Эрстеда. Араго, присутствовавший на съезде, по возвращении во Францию сделал 4 сентября да академии сообщение о новом открытии, а через неделю воспроизвёл перед академиками эрстедовский эксперимент.

Био и Савар сообщили о найденном ими законе действия прямого тока на магнитную стрелку:

«Если проводник с проходящим по нему вольтовым током действует яа частицу северного или южного магнетизма, находящуюся в известном удалении от середины проводника, то равнодействующая всех сил из проводника направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от проволоки, и общее действие проводника на любой южно или северомагнитный элементы обратно пропорционально расстоянию последнего от проволоки».

Лаплас показал, что закон Био — Савара может быть выведен из допущения, что действие тока слагается из действия его отдельных элементов. Элементарный закон Био — Савара — Лапласа положил начало математической теории электродинамики, развиваемой в духе классических образцов ньютонианской механики. Теория Ампера была первой теорией такого рода. В конце 1820 г. Ампером были сформулированы следующие основные предпосылки своей теории.

1) Два близких тока, параллельных друг другу и текущих в противоположном направлении, не оказывают действия на внешние токи  (рис. 200, 201).

2) Внешнего действия не будет и в том случае, если второй ток обвивает первый зигзагообразной линией (рис. 200, 201).

Это означает, во-первых, что сила взаимодействия токов изменяется с изменением направления токов, что два тока равной длины, силы и направления эквивалентны по своим действиям. Отсюда можно положить, что искомая сила взаимодействия токов:

Это означает, во-вторых, что линейный элемент тока АВ эквивалентен геометрической сумме элементов AC, CD, DB (рис. 200, 201), т. е. элементы тока можно заменять по законам геометрического сложения. Далее Ампер устанавливает, что если плоскость, в которой лежит элемент, перпендикулярна оси действующего на него элемента тока, то F =0. Так как между параллельными токами действуют силы притягательные, антипараллельные токи отталкиваются, а токи, направления которых образуют тупой или острый угол, поворачиваются в противоположных направлениях так, чтооы стать параллельно друг другу, то это предположение Ампера может быть обосновано. Но отсюда следует, что сила взаимодействия зависит от угла в между элементами.

Она зависит также от расстояния:

Пусть (рис. 202) г] η— угол между плоскостями (r, ds₂) и (r, d₁). Разложим элемент ds₂ на две взаимно перпендикулярные компоненты α₂, β₂ по направлению r и перпендикулярно к нему:

Элемент ds₁ разложим на три взаимно перпендикулярные компоненты: α — по направлению r, β₁ — перпендикулярную к r и лежащую в плоскости (r, ds₂), γ — перпендикулярную к r и лежащую в плоскости, перпендикулярной (r, ds₂):

Отличными от нуля из всех шести взаимодействий будут только взаимодействия (α₁, α₂) и (β₁, β₂). Полагаем (выбрав соответственно единицу тока):

Следовательно,

Если ввести угол между элементами

и принять плоскость (rds₂) за плоскость (ху) и направление r за ось х, то и

Для определения n и к Ампер использует результаты следующих экспериментов. На специальном станке подвешен круговой ток O_I, могущий свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Этот ток помещён между двумя неподвижными круговыми токами О, О_II. Радиусы токов О, O_I, О_II относятся, как 1:2:4 (рис. 203). По всем трём контурам пропускается один и тот же ток такого направления, чтобы подвижной ток отталкивался неподвижными токами О_II и О. Ток O_I будет в равновесии, когда его центр будет удалён от центра О_II на расстояние вдвое больше, чем от центра О. Если мы обозначим элемент длины тока О через ds₀, тока O_I через ds₁ и тока О_II через ds₂, то, очевидно, при данном отношении радиусов

Если ОО₀ = r₀, то O₁O₂ = 2r₀. Условие равновесия даёт

откуда n=2.

Другой опыт даёт возможность определить к. Металлическая дуга m (рис. 204) может вращаться в своей плоскости около оси, проходящей через её центр g. Если она закреплена перпендикулярно к ручке hg, то замкнутый ток (или магнит) не вызывает её движения, если же она будет повёрнута в точке h на некоторый угол, то она придёт в движение как под действием замкнутого тока, так и магнита. Отсюда следует, что сила, действующая со стороны замкнутого тока на элемент тока, перпендикулярна к этому элементу. Поэтому, интегрируя написанное выше выражение по всему замкнутому контуру ds₁ и приравнивая нулю составляющую полученной полной силы, параллельную ds₂, можно найти уравнение для определения k. Проделанное Ампером вычисление даёт

И окончательно формула Ампера для взаимодействия элементов тока принимает вид

Основной порок как формулы Ампера, так и последующих попыток (вплоть до Вебера) найти элементарный закон взаимодействия тока, заключается в том, что решение задачи не однозначно. Из экспериментов с замкнутыми токами нельзя вывести единственной формы элементарного закона. Та форма закона, которая была найдена впоследствии и оправдывается в опытах с движущимися электронами, отличается от формулы Ампера.

Но для замкнутых токов обе формулы дают совершенно одинаковый результат, ибо отличаются между собою на величину, которая при интегрировании по замкнутому контуру даёт нуль. Разложение действия тока на элементы не эквивалентно разложению притяжения тела на притяжения его элементов.

Вполне понятно, что основные предпосылки теории Ампера подвергались критике. Но даже критикам не было ясно, что речь идет о коренном отходе от ньютоновской механики, что в физику вюргается новая область, новый объект физического исследования — электромагнитное поле, так же, как это случилось, когда на смену ньютоновской оптике пришла оптика Юнга — Френеля.

Ампер сводил явления магнетизма к электричеству. И в этом пункте его воззрения подвергались критике. Подавляющее большинство физиков, в том числе и сам Эрстед, и далее Берцелиус, Био считали, что суть явления заключается в том, что ток разлагает магнетизм. Био полагал, что при прохождении тока происходит молекулярное намагничивание. Насколько это воззрение было глубоким, можно судить по тому, что когда в 1821 г. Зеебек (1770—1831) открыл термоэлектричество, он исходил из идеи, что магнетизм может быть возбуждён контактом разнородных металлов. Присоединяя нажатием пальцев концы проволоки мультипликатора к соприкасающимся пластинкам из меди и висмута, он заметил отклонение стрелки. Холодная влажная рука не давала отклонения, тогда как нажатие тёплой рукой даже через стекло давало отклонение. Зеебек сделал правильный вывод, что причиной является разность температур, и назвал открытое им явление «термомагнетизмом». Франсуа Араго.

Эрстед и Фурье, повторяя опыты Зеебека, открыли, как они полагали, и разложение солей, поэтому они предложили назвать новое явление термоэлектричеством. Зеебек долго возражал против этой терминологии.

Ещё одно явление, открытое всё тем же Араго, казалось, подтверждало мысль о разложении или индукции магнетизма в проводниках. В ноябре 1824 г. Араго доложил академии, что качающаяся магнитная стрелка успокаивается быстрее, когда под неё подводится медная или другая металлическая пластинка. А 7 марта он доложил о ещё более замечательном эффекте: при вращении металлической пластинки магнитная стрелка, находившаяся под ней или над ней, также начинала вращаться. Это явление было названо «магнетизмом вращения». Тот же Араго заметил, что «магнетизм вращения» отличается от обычного магнетизма: стрелка, помещённая на чашке весов, не притягивается к вращающемуся диску, а следует за ним. Ещё раньше, в 1821 г., Фарадей открыл электромагнитное вращение, и независимо от него Ампер осуществил вращение тока магнитом в том же году. Становилось ясным, что найден новый вид взаимодействия, однако только Фарадею удалось вскрыть сущность новой физической связи.

Прежде чем перейти к характеристике дальнейших успехов гальванизма, связанных с получением новых индикаторов и измерителей тока, мы должны остановиться на биографии Араго.

Араго играл важную роль во всех достижениях революционной и послереволюционной французской физики. Он заканчивал после смерти Мешена и отъезда Био градусное измерение в Испании. Он активно участвовал в астрономических исследованиях и был сотрудником и учеником Лапласа. Он вместе с Френелем закладывал основы новой оптики и вместе с Ампером — основы электродинамики. Его ближайшими друзьями были Гей-Люссак и Малюс. Араго, исполняя в качестве непременного секретаря должность биографа умерших членов академии, был живым историографом рассматриваемого нами этапа истории физики.

Нам неоднократно приходилось обращаться к его замечательным биографиям, так же как это приходилось делать и предыдущим историкам науки. Вот почему в Пантеоне великих физиков конца XVIII — начала XIX в. наряду с именами Лапласа, Френеля и Ампера следует поместить и имя Араго, имя их сотрудника и биографа.

Франсуа Доминик Араго родился 26 февраля 1786 г. в селении Эстажеле в департаменте Восточных Пиреней. «Отец мой, — говорит Араго, — баккалавр прав, владел небольшой пахотного землей, виноградником и оливкового плантациею, и доходами с них содержал своё многочисленное семейство». Итак, по своему происхождению Араго принадлежал к сословию адвокатов и к тем землевладельцам, которые были опорой и буржуазной революции и наполеоновского режима. Но Араго не был ни бонапартистом, ни роялистом, ни якобинцем. Он был «независимым либерально-демократическим буржуа».

Близость к испанской границе, к которой всё время подводились французские войска, сыграли в биографии Араго немаловажную роль. С детства Араго дышал атмосферой войны, он неоднократно пытался убежать вслед за войсками, и после встречи с военным инженером — выпускником Политехнической школы — ревностно принялся за изучение математических наук (до этого Араго изучал классикор). Во Франции тех времён война и точные науки были связаны тесными узами. В Тулузе Араго блестяще выдержал трудный вступительный экзамен, не менее блестящим был его успех на переходном экзамене, на котором он покорил знаменитого Лежандра. Интересный эпизод разыгрался в школе, когда Наполеону присваивался титул императора: многие учащиеся, в числе которых был и Араго, протестовали против акта уничтожения республики. Начальник школы донёс о настроениях учащихся Наполеону. Предоставим слово Араго:

«Господин Лакюэ (начальник школы)! — вскричал Наполеон посреди придворных, одобрявших его и словами и жестами, — вы не можете терпеть воспитанников, высказавших столь горячую привязанность к республиканизму: выгоните их». Потом, одумавшись, Наполеон прибавил: «Сперва я хочу знать их имена и их успехи». Взглянув на другой день на список, он остановался при первом имени (Араго), которое стояло первым по артиллерии. «Я не могу выгнать первых воспитанников, — сказал император, — жаль, что они не последние. Г. Лакюэ, оставьте это дело».

Когда умер Мешен, Араго по предложению Пуассона был назначен его преемником. Но Араго не оставил своих юношеских надежд на военную карьеру и поэтому не обнаруживал особой склонности к этой научной командировке. Понадобилось содействие Лапласа, чтобы Араго принял предложение, однако он выговорил себе право поступить в дальнейшем в артиллерию.

В начале 1806 г. Араго вместе с Био выехали в Испанию. Комиссарам Комиссии долгот приходилось вести опасную жизнь, мужество и выдержка неоднократно выручали Араго. Но француз Араго сумел оценить вольнолюбивый и угнётенный испанский народ. «О, как много силы в испанском народе!», восклицает он, описывая свои приключения в Испании.

Когда в Испании вспыхнула война против французских захватчиков, Араго был посажен в тюрьму. В тюрьму Араго, по его словам, «добрался в добром здоровье, но с лёгкою раною в ляжку». Так велика была ненависть испанцев к французам. Прочитав в заключении статью в журнале, описывавшую, как был повешен Араго, Араго понял, что надо бежать из тюрьмы. Побег состоялся, и 3 августа 1808 г. Араго прибыл в Алжир. Французский консул снабдил Араго и бежавшего с ним -другого француза Бартемье фальшивыми паспортами и на марокканском судне они отплыли во Францию. Вблизи Марселя судно было захвачено испанским фрегатом. В плену Араго думал прежде всего о спасении результатов измерений, которые он носил под рубашкой, однако английский капитан, которого он просил передать рукопись в Королевское общество, отказал ему в содействии.

После длительных и опасных приключений в июле 1809 г. Араго прибыл во Францию. Повидав в Перпиньяне родных, Араго уехал в Париж, «где Комиссии долгот и Академии наук представил свои наблюдения, сохранённые мною среди опасностей и треволнений продолжительного странствования». 18 сентября 1809 г. двадцатитрёхлетний Араго был избран академиком.

После смерти Фурье, 7 июля 1830 г. Араго был избран непременным секретарём академии. Этому обстоятельству история науки обязана ценными биографиями великих учёных: Юнга, Вольта, Монжа, Карно, Френеля, Ампера, Уатта, Кондорсе и других. С 1831 г. Араго отдаётся политической деятельности, сначала как член парламента, а в дни революции 1848 г. в качестве морского и военного министра. Убеждения Араго были прогрессивными. Он выступал за демократическое изменение избирательного закона и отказался принести присягу Луи-Наполеону. Но, конечно, Араго не был революционером. Он сам говорил, что он «друг прогресса», но не желает прогресса среди бури.

«Я хочу прогресса постоянного, правильного, без потрясений, без насилия». Это был истинный сын буржуазной революции, которую он считал законченной и не желал ни крайностей якобинцев, ни крайностей монархистов. Умер Араго 2 октября 1853 г. Сочинения Араго многочисленны и разнообразны. Он занимался астрономией, оптикой, электромагнетизмом, геофизикой, писал «Историю паровых машин» и «Популярную астрономию», о железных дорогах, артиллерии, на политические темы. О важнейших его открытиях в истории физики мы уже говорили выше.

Открытие связи между электричеством и магнетизмом, помимо своего крупнейшего научно-принципиального значения, означало также приближение эпохи технических приложений электричества. Сын сапожника, артиллерист Вилльям Стэрджен (Sturgeon, 1783—1850) изобрёл электромагнит. Об этом изобретении он доложил 23 мая 1825 г. обществу ремёсел, представив одновременно коллекцию своих электромагнитов.

Электромагниты Стэрджена были изготовлены из лёгкого железа (стержни длиной 1 фут и диаметром 0,5 дм, покрытые для изоляции лаком). На •сердечник навивалась голая толстая проволока. Американский физик Джозеф Генри (1799—1878), задавшись целью «получить наибольшую магнитную силу», усовершенствовал изобретение Стэрджена, применив обмотку из Проволоки, изолированной шёлком. Электромагниты Генри обладали подъёмной силой до 1 т. Ему же удалось осуществить первый электрический звонок, в котором роль молоточка играла магнитная стрелка. Изобретения Генри производили сильнейшее впечатление на современников, им казалось удивительным, как из малой силы (от одного элемента) «развивается такое неслыханное притяжение на полюсах магнита» (Берцелиус).

Русская наука по праву может гордиться тем, чю она сыграла первостепенную роль в развитии новой отрасли техники. Важнейшие открытия в этой области были сделаны русскими учёными. Генри говорит о себе, что он «первый намагнитил кусок лёгкого железа на расстоянии и первый обратил внимание на то, что это явление может быть применено для телеграфа». Но прежде чем был изобретён электромагнит, русский дипломат Павел Львович Шиллинг (1786—1837) взрывал на расстоянии мины посредством электрического тока (на манёврах под Красным в 1827 г.). Через пять лет после этого Шиллинг построил действующий телеграф с магнитными стрелками. Его изобретением заинтересовалось английское правительство, пытаясь купить патент, но Шиллинг отказался продать своё детище иностранцам. (Англичанин Кук взял патент на стрелочный телеграф, заимствованный у Шиллинга.). В дальнейшем мы рассмотрим специально вопрос о роли русской физики в развитии учения об электричестве.

Наступила пора и для установления количественных закономерностей в гальванической цепи. Уже в начале XIX в. была подмечена роль площади пластин в увеличении действия вольтовой батареи и роль соединительной проволоки. Особенно замечательны в этом отношении опыты Дэви 1821 г. Дэви включал параллельно проволоку и сосуд для электролиза воды. Когда проводимость проволоки становилась большой, вода в сосуде-переставала разлагаться. Дэви установил, что проводимость проволоки зависит от температуры (падает с увеличением температуры), от вещества (Дэви нашёл следующий ряд, в котором материалы расположены в порядке убывания проводимости: серебро, медь, свинец, золото, цинк, олово, платина, палладий, железо) и от площади поперечного сечения. Беккерель. в 1825 г. подтвердил результаты Дэви.

В том же 1825 г. вопросом о проводимости занялся Г е о р г С и м о н О м (16 марта 1787 г.—7 июля 1854 г.). В своих исследованиях Ом своеобразно применил метод Кулона. Расположив соединительную проволоку (по обычной в то время практике роль клеммы играли ртутные контакты) в направлении магнитного меридиана, он помещал над ней магнитную стрелку, подвешенную на нити, и закручиванием нити удерживал её в неотклонённом положении; величиной угла кручения измерялась отклоняющаяся сила тока. Помещая стрелку над различными участками цепи, Ом установил, что угол кручения оставался постоянным, и тем самым доказал постоянство «силы тока» в различных участках цепи. Далее он установил, что сила тока убывает с увеличением длины провода, с уменьшением его площади поперечного сечения, с изменением вещества и нашёл ряд веществ в порядке возрастания «сопротивления». Термин «сопротивление» принадлежит Ому, ему же принадлежит термин «сила тока», хотя Ампер также предложил различать «силу тока» и «напряжение».

Так как гальванический элемент обладает переменным действием, то, но совету Поггендорфа, Ом заменил Источник термоэлементом, состоящим из висмутового стержня с припаянными к нему медными стержнями. Один спай погружался в кипящую воду, другой — в тающий лёд. Концы стержней опускались в ртутные контакты чашечки. В результате своих измерений Ом пришёл к выводу, что полученные им числа можно выразить уравнением X = a/(b+x), где X обозначает силу магнитного действия на проводниках, х — их длину, а величины а и b — постоянные, зависящие от возбуждающей силы и от сопротивления прочих частей цепи (Schweiger’s journal, 1826 г., стр. 151). В следующем, 1827 г. вышла основная работа Ома «Гальваническая цепь, разрабоганная математически д-ром Г. С. Омом».

В этой работе Ом впервые сознательно уподобляет движение электричества тепловому потоку и потоку воды. Роль «падения» температур или разности высот играет вольтовская разность напряжений. Эту разность напряжений Ом измеряет электроскопом. Руководствуясь такими наглядными представлениями, Ом и установил свой знаменитый закон, носящий его имя.

Следует отметить, что признание этого закона физиками затянулось, и неясная сбивчивая терминология гальванизма продолжала существовать ещё долго.

Открытие электромагнетизма. Исследования по электро- и магнитостатике. Развитие электродинамики.

Похожие главы из других работ:

Джеймс Максвелл

Первое открытие

Если раньше отец изредка брал Джеймса на свое любимое развлечение — заседания Эдинбургского королевского общества, то теперь посещения этого общества…

Жидкие кристаллы; их свойства и применение

1. Открытие жидких кристаллов

В 1888г. ботаник Рейнитцер опубликовал свои наблюдения о поведении при изменении температуры синтезированного им холестерилбензоната. Кристаллы этого вещества плавились при температуре 145,5°С, переходя в мутную жидкость…

Жизнь и творчество Майкла Фарадея

Открытие электромагнитной индукции

Исследования в области электромагнетизма и индукционного электричества, составляющие наиболее ценный алмаз в венце славы Фарадея, поглотили большую часть его жизни и его сил. По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов…

Закон всемирного тяготения

2.1 Открытие Исаака Ньютона

Закон всемирного тяготения был открыт И.Ньютоном в 1682 году. По его гипотезе между всеми телами Вселенной действуют силы притяжения (гравитационные силы), направленные по линии, соединяющей центры масс (рис.4)…

История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

1. Понятие и открытие сверхпроводников

Сверхпроводимость — это особое свойство вещества обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижение данного материала определенной, так называемой, критической температуры. С другой стороны…

Кварковая модель строения элементарных частиц

2.2.1 ОТКРЫТИЕ С — КВАРКА

Триумфом кварковой модели является открытие очарованных частиц. Первая очарованная частица была открыта в 1974 г…

Кварковая модель строения элементарных частиц

2.2.2 ОТКРЫТИЕ В — КВАРКА

История открытия нового кварка b аналогична истории открытия кварка с. В 1977 г. в Батавии (США) был открыт новый мезон, обозначенный через ?. Он возникал при бомбардировке мишени из меди и свинца пучком протонов с энергией 400 ГэВ…

Магнитное поле в веществе. Электромагнитная индукция. Гипотеза Максвелла

6. Уравнение Максвелла для электромагнетизма

Анализируя все электромагнитные явления Максвелл сделал вывод: они являются следствием всего четырех уравнений: 1. — теорема Гаусса для электрического поля. Утверждает факт присутствия в природе электрических зарядов. 2…

Рентгеновское излучение

1.2 Открытие рентгеновского излучения

Конец XIX в. ознаменовался повышенным интересом к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда…

Становление взглядов на природу света

1.3 Открытие Планка

В 1900 году Макс Планк высказал идею, которая впоследствии перевернула казавшиеся незыблемыми представления ученых о характере физических законов и открыла новую эру в физике. Вся классическая физика строится…

Теория броуновского движения и экспериментальное доказательство реального существования атомов и молекул

2. Открытие Роберта Броуна

Шотландский ботаник Роберт Броун еще при жизни как лучший знаток растений получил титул «князя ботаников». Он сделал много замечательных открытий…

Электрические импульсы в биологических клетках

Открытие потенциала действия

Важнейшим этапом в исследовании природы биопотенциалов в 20 в. стали работы электрофизиологов А. Л. Ходжкина, А. Ф. Хаксли (Великобритания) и Дж. К. Эклса (Австралия) на гигантских аксонах кальмара…

Электромагнитная безопасность

Глава 1. Природа электромагнетизма

…

Электромагнитные волны и их свойства

2.2 Открытие электромагнитных волн

Первое экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано в опытах Г. Герца в 1887 г., через восемь лет после смерти Максвелла. Для получения электромагнитных волн Герц применил прибор…

Эффект Пельтье и его применение

1.1 Открытие эффекта Пельтье

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками (рис. 1.1.)…

Реферат — История открытия и практическое применение электромагнетизма

	Скачать реферат: История открытия и практическое применение электромагнетизма

Содержание реферата

Введение.
1. Из истории открытия электромагнитных волн.
   1.1 Опыты ганса христиана эрстеда.
   1.2. Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма.
   1.3 Уравнения Джеймса Клерка Максвелла.
2 Материальность магнитного поля.
3 Практическое применение электромагнетизма.
   3.1 Синхрофазотроны
   3.2 Радиовещание
Заключение.
Список прочитанной литературы:

Введение

Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.

С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной  техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.

Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы  и магнитная запись информации, магнитная обработка воды,  поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.

Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.

В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.

А все началось с вопроса: « Что происходит с электричеством, если соединить полюсы вольтовой батареи проволокой?». Задал себе этот вопрос  Ганс Христиан Эрстед.

1. Из истории открытия электромагнитных волн.

1.1  Опыты ганса христиана эрстеда.

В августе 1820 года все более или менее известные европейские физики, все научные общества и редакции физических журналов получили небольшую, написанную на латыни брошюру. На обложке стояла ничего не говорящее название « Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу» и  мало что говорящая  фамилия автора —  Эрстед. Если бы каждый из учёных мог знать, что кроме него, эту брошюру держат в руках почти все физики, её  сразу бы  начали  читать. Это объяснимо тем, что  в ней было все: и само открытие, и то, как оно было сделано, и даже то, что ничего необыкновенного в нём, как  тут  же выяснилось, не было.

Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики  Копенгагенского университета Ганс  Христиан Эрстед, 29 лет  от  роду, осуществил свою заветную  мечту – получить  звание  профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на  другой – на кафедре физики. Объяснялось  это тем, что, знакомясь с научными лабораториями Европы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую  склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению в Копенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим  двум  дисциплинам.

Второе  научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в  частности с работами Вольты. Вернувшись в 1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 года Эрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.

Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал. Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.

Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь  только размышлениями  на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь. Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам. 

Эрстед поместил между проводами, идущими от полюсов батареи, тонкую платиновую проволоку, а под проволоку поместил магнитную стрелку. Стрелка и впрямь качнулась, как и надеялся учёный, но столь слабо, что он не посчитал этот опыт удачным и отложил свою затею до другого времени, когда, как он пишет: «Надеялся иметь больше досуга». Странное признание.

Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по — датски, а по — латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.

Чтобы физики легко запомнили, куда что отклоняется, Эрстед выводит формулу: «Полюс, над которым вступает отрицательное электричество, поворачивается на запад; полюс, под которым оно вступает, поворачивается на восток».

Правда, оказалось, что усвоение самой формулы не намного легче, чем описание всего опыта; некоторые физики даже назвали изобретённую формулу неудобной и нецелесообразной. Если сравнить её с правилом, приведённым в современном учебнике, то можно согласиться с таким определением. И ещё в одном Эрстед нечаянно напутал сам и запутал тем самым коллег: он утверждал, что для получения «электрического конфликта» (так он поначалу назвал электромагнетизм) необходимо, чтобы провод был раскалён.

Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.

Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцами Можоном и Романьози, ещё в 1802 году.

В чём уличали Эрстеда?  Дело в том, что работы итальянских учёных были опубликованы сначала в самой Италии, но Эрстед мог их не читать в оригинале; так ведь они были переведены на французский. Кто ж поверит, что он их не читал их? Ясное дело, читал. И умолчал об этом. И приписал всё себе. Если бы всё было на самом деле так, то действительно получалось нехорошо. Даже совсем плохо: уличение в плагиате для учёного – конец. Но ревнители научной нравственности в полемическом пылу упустили из виду некоторые детали, которые часто играют важную роль. Среди физиков нашлось немало людей, которые, подобно Шерлоку Холмсу, комиссару Мегрэ или Эркюлю Пуаро, занялись сопоставлением этих самых мелочей, чтобы установить истину. В числе наиболее проницательных расследователей «дела Эрстеда» был русский академик И. Гамель. Эрстед, конечно не преступник и мог не читать, но логика-качество, свойственное каждому учёному, — должна была подсказать ему выход из щекотливой ситуации, если он её таковой считал; согласись он со случайностью своего открытия, тогда уж  никто не смог бы сказать, что он это открытие где-то у кого-то вычитал. Но вместо этого Эрстед, явно вредя себе, продолжает настаивать, что он работал над электромагнетизмом давно, но безуспешно. Отсюда можно сделать только один вывод, и Гамель делает его: «При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведённых выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль». К такому же выводу, но в результате иных рассуждений приходит немецкий физик Георг Мунке.  Своё мнение он публично изложил в «Физическом словаре». 

А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?

Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.

Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.

Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.

Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)

1.2. Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма.

В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, — рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом Ганса Христиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?

Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.

В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду «Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к «Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041!  Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?

Любой физик  знает, что таким материальным посредником  является  «поле», «поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.

Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.

Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.

1.3  Уравнения Джеймса Клерка Максвелла.

Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.

Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в  условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».

  Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля  (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:

ФЕ  dl = dФ / dt  Уравнение электродвижущей силы

ФH  dl = dN / dt   Уравнение магнитодвижущей силы

Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl;  N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.

Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;

2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.

В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.

Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися фразой:

«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»

(«Не бог ли эти знаки начертал?..»)

2 Материальность магнитного поля.

Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна  скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой  электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.

« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии», — писал Максвелл.

Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.

Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом обычную, вещественную материю, которую Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая» материя, способная передавать электрические и световые действия.

Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату».

Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие светового эфира, хотя в разговорной речи до сих пор сохранились выражения типа: «волны эфира», «передача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.

Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.

Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижением Джеймса Максвелла.

3 Практическое применение электромагнетизма.

3.1 Синхрофазотроны

В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

 Fл=qBvsin@ 

Где B – индукция магнитного поля, то есть его        силовая характеристика.

@ — это угол между направлением скорости и направлением индукции.

Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.

3.2  Радиовещание

После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.

Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.

В переводе с латинского «радио» означает «излучать».

Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его  соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света – 300000 км/с.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет — это короткие волны, а электромагнитные волны – это волны большей длины.

В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.

Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» — радиоприёмник.

7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.

Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция» — «сцепление».  (Рис.2)

Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало  реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.

Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.

Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол «Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.

Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.

Магнитотерапия.

В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.

«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем)- термины, относящиеся к низкочастотному диапозону.  Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ-терапия).  

Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка  в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.

Заключение.

История науки — тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и их творцов. На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.

И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.

Ученый – это не специальность, ей нельзя обучить в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.

Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться новому, трудолюбие, смелость в отстаивании своих убеждений. И , что очень важно, необходимость в данном открытии.

Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.

В таких условиях и находилось научное общество, когда новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма.

Список прочитанной литературы:

1. В.З. Озерников «Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых»
2. Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс физики»
3. Справочник школьника под редакцией А.Барашкова
4. М.И.Блудов «Беседы по физике»
5. М.И.Яковлева «Физиологические механизмы действия электромагнитных полей»

© Реферат плюс

История открытия и практическое применение электромагнетизма

                    РЕФЕРАТ 

по  теме: «ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ            ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА».

                   СОДЕРЖАНИЕ:

                                                Страницы

ГЛАВА 1                                              

Из истории открытия электромагнитных волн            3-13

1.1  Опыты Ганса Христиана Эрстеда                    3-9         

1.2  Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма10-11  

1.3  Уравнения Джеймса Клерка Максвелла              12-14

ГЛАВА 2                                             

Материальность магнитного поля                      14-15

ГЛАВА 3                                             

Практическое применение  электромагнетизма          16-20

3.1 Синхрофазотроны                                 16  

3.2 Радиовещание                                    17-19

3.3 Магнитотерапия                                  19-20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                          21-22

ВВЕДЕНИЕ.

Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.

С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной  техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.

Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы  и магнитная запись информации, магнитная обработка воды,  поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.

Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.

В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.

А все началось с вопроса: « Что происходит с электричеством, если соединить полюсы вольтовой батареи проволокой?». Задал себе этот вопрос  Ганс Христиан Эрстед.

ГЛАВА 1.

ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

1.1  ОПЫТЫ ГАНСА ХРИСТИАНА ЭРСТЕДА.

    В августе 1820 года все более или менее известные европейские физики, все научные общества и редакции физических журналов получили небольшую, написанную на латыни брошюру. На обложке стояла ничего не говорящее название « Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу» и  мало что говорящая  фамилия автора —   Эрстед. Если бы каждый из учёных мог знать, что кроме него, эту брошюру держат в руках почти все физики, её  сразу бы  начали  читать. Это объяснимо тем, что  в ней было все: и само открытие, и то, как оно было сделано, и даже то, что ничего необыкновенного в нём, как  тут  же выяснилось, не было.

    Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики  Копенгагенского университета Ганс  Христиан Эрстед, 29 лет  от  роду, осуществил свою заветную  мечту – получить  звание  профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на  другой – на кафедре физики. Объяснялось  это тем, что, знакомясь с научными лабораториями Европы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую  склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению в Копенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим  двум  дисциплинам.

    Второе  научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в  частности с работами Вольты. Вернувшись в 1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 года Эрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.

    Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал. Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.

Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь  только размышлениями  на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь. Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам.     

Эрстед поместил между проводами, идущими от полюсов батареи, тонкую платиновую проволоку, а под проволоку поместил магнитную стрелку. Стрелка и впрямь качнулась, как и надеялся учёный, но столь слабо, что он не посчитал этот опыт удачным и отложил свою затею до другого времени, когда, как он пишет: «Надеялся иметь больше досуга». Странное признание.

Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по — датски, а по — латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.

   Чтобы физики легко запомнили, куда что отклоняется, Эрстед выводит формулу: «Полюс, над которым вступает отрицательное электричество, поворачивается на запад; полюс, под которым оно вступает, поворачивается на восток».

Правда, оказалось, что усвоение самой формулы не намного легче, чем описание всего опыта; некоторые физики даже назвали изобретённую формулу неудобной и нецелесообразной. Если сравнить её с правилом, приведённым в современном учебнике, то можно согласиться с таким определением. И ещё в одном Эрстед нечаянно напутал сам и запутал тем самым коллег: он утверждал, что для получения «электрического конфликта» (так он поначалу назвал электромагнетизм) необходимо, чтобы провод был раскалён.

Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.

Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцами Можоном и Романьози, ещё в 1802 году.

    В чём уличали Эрстеда?  Дело в том, что работы итальянских учёных были опубликованы сначала в самой Италии, но Эрстед мог их не читать в оригинале; так ведь они были переведены на французский. Кто ж поверит, что он их не читал их? Ясное дело, читал. И умолчал об этом. И приписал всё себе. Если бы всё было на самом деле так, то действительно получалось нехорошо. Даже совсем плохо: уличение в плагиате для учёного – конец. Но ревнители научной нравственности в полемическом пылу упустили из виду некоторые детали, которые часто играют важную роль. Среди физиков нашлось немало людей, которые, подобно Шерлоку Холмсу, комиссару Мегрэ или Эркюлю Пуаро, занялись сопоставлением этих самых мелочей, чтобы установить истину. В числе наиболее проницательных расследователей «дела Эрстеда» был русский академик И. Гамель. Эрстед, конечно не преступник и мог не читать, но логика-качество, свойственное   каждому учёному, — должна была подсказать ему выход из щекотливой ситуации, если он её таковой считал; согласись он со случайностью своего открытия, тогда уж  никто не смог бы сказать, что он это открытие где-то у кого-то вычитал. Но вместо этого Эрстед, явно вредя себе, продолжает настаивать, что он работал над электромагнетизмом давно, но безуспешно. Отсюда можно сделать только один вывод, и Гамель делает его: «При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведённых выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль». К такому же выводу, но в результате иных рассуждений приходит немецкий физик Георг Мунке.  Своё мнение он публично изложил в «Физическом словаре».        

     А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?

Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.

Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.

Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.

Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)

1.2    РОЛЬ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ В ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, — рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом Ганса Христиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?

Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.

В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду «Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к «Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041!   Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?

Любой физик  знает, что таким материальным посредником  является  «поле», «поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.

   Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.

Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.

1.3  УРАВНЕНИЯ  ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.

   Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.

Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в  условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».

    Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля  (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:

ФЕ  dl = dФ / dt        Уравнение электродвижущей силы

ФH  dl = dN / dt        Уравнение магнитодвижущей силы

Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl;  N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.

    Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;

2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.

    В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.

    Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися фразой:

«War es ein Gott der diese Zeichen schrieb?»

(«Не бог ли эти знаки начертал?..»)

ГЛАВА 2

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

    Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна  скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой  электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.

« Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии», — писал Максвелл.

   Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.

Эта материя всегда налицо, так как если откачать насосом обычную, вещественную материю, которую Максвелл называл «грубой» (или «сгущенной») материей, то останется «тончайшая» материя, способная передавать электрические и световые действия.

Вершиной научного творчества Джеймса Максвелла стал его «Трактат об электричестве и магнетизме», увидевший свет в 1873 году. Восемь лет труда отдал Максвелл «Трактату».

    Наука ХХ века окончательно отбросила противоречивое понятие светового эфира, хотя в разговорной речи до сих пор сохранились выражения типа: «волны эфира», «передача в эфире», когда речь идет о радиовещании и когда в сущности мы имеем дело с колебательными явлениями в электромагнитном поле.

    Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.

Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижением Джеймса Максвелла.

ГЛАВА 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

3.1 Синхрофазотроны

 В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

              Fл=qBvsin@  

         Где B – индукция магнитного поля, то есть его                                                                                                                                 силовая характеристика.

         @ — это угол между направлением скорости и направлением индукции.

 

  Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.

3.2   Радиовещание

 После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.

Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.

В переводе с латинского «радио» означает «излучать».

Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его  соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света – 300000 км/с.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет — это короткие волны, а электромагнитные волны – это волны большей длины.

В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.

 Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» — радиоприёмник.

7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.

Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри – когерер (от латинского слова «когеренция» — «сцепление».    (Рис.2)

 Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало  реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.

Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.

Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол «Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.

Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.

3.3   Магнитотерапия.

В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.

«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем)- термины, относящиеся к низкочастотному диапозону.  Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ-терапия).  

Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка  в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.

                      ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

История науки — тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и их творцов. На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.

И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.

Ученый – это не специальность, ей нельзя обучить в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.

Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться новому, трудолюбие, смелость в отстаивании своих убеждений. И , что очень важно, необходимость в данном открытии.

Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.

В таких условиях и находилось научное общество, когда новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма.

 

 

 

          Список прочитанной литературы:

1. В.З. Озерников «Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых»

2. Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс физики»

3. Справочник школьника под редакцией А.Барашкова

5. М.И.Яковлева «Физиологические механизмы действия электромагнитных полей»

149544 (История открытия и практическое применение электромагнетизма) » СтудИзба

Текст из документа «149544»

22

РЕФЕРАТ

по теме: «ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА».

СОДЕРЖАНИЕ:

Страницы

ГЛАВА 1

Из истории открытия электромагнитных волн 3-13

1. Опыты Ганса Христиана Эрстеда 3-9

2. Роль Майкла Фарадея в изучении электромагнетизма10-11

3. Уравнения Джеймса Клерка Максвелла 12-14

ГЛАВА 2

Материальность магнитного поля 14-15

ГЛАВА 3

Практическое применение электромагнетизма 16-20

3.1 Синхрофазотроны 16

3.2 Радиовещание 17-19

3.3 Магнитотерапия 19-20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21-22

ВВЕДЕНИЕ.

Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.

С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.

Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы и магнитная запись информации, магнитная обработка воды, поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.

Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.

В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.

А все началось с вопроса: « Что происходит с электричеством, если соединить полюсы вольтовой батареи проволокой?». Задал себе этот вопрос Ганс Христиан Эрстед.

ГЛАВА 1.

ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

1.1 ОПЫТЫ ГАНСА ХРИСТИАНА ЭРСТЕДА.

В августе 1820 года все более или менее известные европейские физики, все научные общества и редакции физических журналов получили небольшую, написанную на латыни брошюру. На обложке стояла ничего не говорящее название « Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу» и мало что говорящая фамилия автора — Эрстед. Если бы каждый из учёных мог знать, что кроме него, эту брошюру держат в руках почти все физики, её сразу бы начали читать. Это объяснимо тем, что в ней было все: и само открытие, и то, как оно было сделано, и даже то, что ничего необыкновенного в нём, как тут же выяснилось, не было.

Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики Копенгагенского университета Ганс Христиан Эрстед, 29 лет от роду, осуществил свою заветную мечту – получить звание профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на другой – на кафедре физики. Объяснялось это тем, что, знакомясь с научными лабораториями Европы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению в Копенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим двум дисциплинам.

Второе научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в частности с работами Вольты. Вернувшись в 1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 года Эрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.

Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал. Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.

Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь только размышлениями на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь. Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам.

Эрстед поместил между проводами, идущими от полюсов батареи, тонкую платиновую проволоку, а под проволоку поместил магнитную стрелку. Стрелка и впрямь качнулась, как и надеялся учёный, но столь слабо, что он не посчитал этот опыт удачным и отложил свою затею до другого времени, когда, как он пишет: «Надеялся иметь больше досуга». Странное признание.

Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по — датски, а по — латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.

Чтобы физики легко запомнили, куда что отклоняется, Эрстед выводит формулу: «Полюс, над которым вступает отрицательное электричество, поворачивается на запад; полюс, под которым оно вступает, поворачивается на восток».

Правда, оказалось, что усвоение самой формулы не намного легче, чем описание всего опыта; некоторые физики даже назвали изобретённую формулу неудобной и нецелесообразной. Если сравнить её с правилом, приведённым в современном учебнике, то можно согласиться с таким определением. И ещё в одном Эрстед нечаянно напутал сам и запутал тем самым коллег: он утверждал, что для получения «электрического конфликта» (так он поначалу назвал электромагнетизм) необходимо, чтобы провод был раскалён.

Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.

Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцами Можоном и Романьози, ещё в 1802 году.

В чём уличали Эрстеда? Дело в том, что работы итальянских учёных были опубликованы сначала в самой Италии, но Эрстед мог их не читать в оригинале; так ведь они были переведены на французский. Кто ж поверит, что он их не читал их? Ясное дело, читал. И умолчал об этом. И приписал всё себе. Если бы всё было на самом деле так, то действительно получалось нехорошо. Даже совсем плохо: уличение в плагиате для учёного – конец. Но ревнители научной нравственности в полемическом пылу упустили из виду некоторые детали, которые часто играют важную роль. Среди физиков нашлось немало людей, которые, подобно Шерлоку Холмсу, комиссару Мегрэ или Эркюлю Пуаро, занялись сопоставлением этих самых мелочей, чтобы установить истину. В числе наиболее проницательных расследователей «дела Эрстеда» был русский академик И. Гамель. Эрстед, конечно не преступник и мог не читать, но логика-качество, свойственное каждому учёному, — должна была подсказать ему выход из щекотливой ситуации, если он её таковой считал; согласись он со случайностью своего открытия, тогда уж никто не смог бы сказать, что он это открытие где-то у кого-то вычитал. Но вместо этого Эрстед, явно вредя себе, продолжает настаивать, что он работал над электромагнетизмом давно, но безуспешно. Отсюда можно сделать только один вывод, и Гамель делает его: «При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведённых выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль». К такому же выводу, но в результате иных рассуждений приходит немецкий физик Георг Мунке. Своё мнение он публично изложил в «Физическом словаре».

А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?

Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.

Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.

Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.

Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)

1. РОЛЬ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ В ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.

В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, — рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом Ганса Христиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?

Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.

В 1827г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. О колоссальной работоспособности Фарадея можно судить по печатному труду «Экспериментальные исследования по электричеству», выходившему отдельными сериями с 1831 по 1865г. Издание состояло из 30 серий. Здесь выразилось умение Фарадея работать систематически. Собственноручные заметки Фарадея к его работам аккуратно пронумерованы. Последний параграф к «Экспериментальным исследованиям» имеет №… 16041! Земля притягивает находящиеся над ней тела, причём это притяжение можно наблюдать и в безвоздушном пространстве. Что же является посредником между Землёй и телом в этом случае?

Любой физик знает, что таким материальным посредником является «поле», «поле тяготения». Материальным посредником между магнитом и куском железа, удалённым от него на некоторое расстояние, является магнитное поле, между электрическими зарядами – электрическое поле.

Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.

Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.

1.3 УРАВНЕНИЯ ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.

Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.

Максвелл так говорил: « Когда я стал углубляться в изучение работ Фарадея, я заметил, что метод его понимания тоже математичен, хотя и представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».

Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:

ФЕ dl = dФ / dt Уравнение электродвижущей силы

ФH dl = dN / dt Уравнение магнитодвижущей силы

Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.

Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;

2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.

В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.